CN113595663B - 基于实时信道状态估计的协作频谱感知接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于实时信道状态估计的协作频谱感知接入方法，该方法为：节点初始化，初始频谱感知；确定无人机节点为簇首或簇子节点；若为簇首则实例化频谱管理器，若为簇子则进入子节点模式，完成组网工作；簇首下发及簇子节点收取上行、宏蜂窝信道；所有节点对当前工作信道进行带内频谱感知，形成信道集上传至簇首；频谱管理器维护备选信道集并更新信道切换建议；MAC层根据信道切换建议和备选信道集进行信道切换决策；簇首执行MAC层指令，并下发信道切换指令给簇内成员；簇子节点接收来自簇首的信道切换信息，执行信道切换。本发明有效的提高了信道切换的实时性和所选信道的质量，保障了通信业务的持续进行。

Description

基于实时信道状态估计的协作频谱感知接入方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别是一种基于实时信道状态估计的协作频谱感知接入方法。

背景技术

当无线网络环境中蜂群节点当前工作信道的主用户返回，亦或当前信道指标降低以及节点移动导致脱离信道可用范围不能满足节点正常通信的需要时，节点需要进行信道切换，常规的信道切换技术会导致通信的不稳定和不确定性，还会造成一定的切换时延，更有可能影响网络结构造成通信中断。

现有的信道切换技术，其主要分为主动信道切换和被动信道切换两类。

主动式信道切换是通过次用户对主用户过去的活动规律进行统计与总结，并进行归纳，从而预测当前环境下当前时刻主用户对信道的占用情况，在传输过程中每隔一定的周期就主动的发起信道切换。

被动式频谱切换是次用户在主用户回归的时候才会发起切换，在每一次信道切换发生前对当前环境下的各个信道进行频谱感知，找到空闲信道之后，再执行切换，如果没有找到合适的空闲信道，将会导致次用户发生通信中断现象。

基于现有的主动信道切换方法，有以下两方面的缺点：

1)此方法需要当前工作信道的先验统计信息，需要进行不断的统计分析。先验信息不够好时容易导致预测不够准确。

2)此方法对频谱感知的能力要求较高，并且周期性的频谱切换会对次用户的通信业务连续性造成一定的影响。

基于现有的被动信道切换，有以下两方面的缺点：

1)每次切换过程次用户和主用户的碰撞不可避免。

2)寻找空闲信道时间不可估计，感知可用信道时间超过一定时间将会导致通信中断现象，严重影响次用户服务质量和系统性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多层蜂群系统场景下基于实时信道状态估计的协作频谱感知接入方法，提高信道切换的实时性和所选信道的质量，保障通信业务的持续进行。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于实时信道状态估计的协作频谱感知接入方法，步骤如下：

步骤1、节点初始化：整个网络所有节点进行初始化，读取本地的信道配置参数，并准备进行初始建网工作；

步骤2、初始频谱感知：所有节点根据初始参数在选定频段上进行初始频谱感知，确定下行信道；

步骤3、簇首条件判断：根据网络层簇首选举算法进行簇首选举，确定无人机节点为簇首节点或簇子节点；

步骤4、若节点确定为簇首节点，则实例化频谱管理器，即启动该节点的频谱管理器模块，设定初始化备选信道集、感知频率范围、工作带宽；

步骤5、若节点确定为簇子节点，进入子节点模式，簇子节点发送入网申请，完成组网工作；

步骤6、簇首节点下发及簇子节点收取上行、宏蜂窝信道：组网完成后，簇首节点下发上行和宏蜂窝信道信息，初始化静默期参数并下发；簇子节点则收取簇首节点下发的上行和宏蜂窝信道信息，并收取静默期参数，从而确定自身上行、宏蜂窝信道信息；

步骤7、带内频谱感知：包括簇首节点、簇子节点的所有节点，根据簇首节点下发的静默期参数中的帧结构设计，确定一个超帧内感知时间和通信时间的分配，在每个超帧内的感知时间内首先对当前工作信道进行带内频谱感知，此时会出现以下两种情况：

(1)能量检测结果Z_i(t)＝0，即当前工作信道空闲；

(2)能量检测结果Z_i(t)＝1，即当前工作信道忙碌；

步骤8、频谱管理器维护备选信道集并更新信道切换建议：

(1)簇首节点分配具体感知信道个数任务给包含该簇首节点自身在内的簇内所有节点；所有节点在带内感知结束后，根据簇首节点分配任务进行带外感知，形成备选信道集，在簇首节点进行备选信道集汇总分析，最终实现协作频谱感知；

①一个簇内，所有节点在带内感知结束后，簇根据簇首节点分配任务进行信道的空闲状态带外感知，形成备选信道集，并将备选信道集上传至簇首节点，实现备选信道集的维护更新；

②每个簇子节点发送当前工作信道主用户类型即PUType至簇首节点；

③每个簇子节点上传当前工作信道的信道占用率与信号接收强度即RSSI至簇首节点；

(2)簇首节点频谱管理器接收各簇子节点上传的频谱感知信息，包括当前工作信道忙闲状态、主用户类型、信道占用率、信号接收强度，实现簇内协作感知，即采用大数原则进行综合判决，最终决定整个簇所使用工作信道的忙闲状态、主用户类型、信道占用率、信号接收强度；

(3)簇首节点频谱管理器根据实时信道状态信息通过计算更新信道切换建议，实现信道切换功能；

步骤9、判断信道切换建议是否大于阈值：当信道切换建议大于阈值时，上传建议至MAC层，MAC层根据信道切换建议和备选信道集选择切换信道，并由簇首节点下发切换信道信息；

当信道切换建议小于阈值时，不进行信道切换建议上传，跳回至步骤8，即正常通信的同时进行备选信道集的维护和信道切换建议的更新；

步骤10、MAC层根据信道切换建议和备选信道集进行信道切换决策：MAC层接收来自频谱管理器的信道切换建议，并选取备选信道集排序第一位的信道进行切换；

步骤11、簇首节点执行MAC层指令，并下发信道切换指令给簇内成员；

步骤12、簇子节点接收来自簇首节点的信道切换信息，执行信道切换，若下行信道不可用，无法接受簇首节点下发信息，则簇子节点触发自切换功能，连续三个超帧接收不到簇首节点消息，则切换至已保存备选信道集排序第一的信道，完成与簇首节点进行同频切换；

步骤13、整个簇信道切换成功。

进一步地，步骤2所述初始频谱感知，具体如下：

频谱感知包含的实体有：位于簇首的频谱管理器SM，频谱任务处理器STP和频谱感知检测模块SSF，频谱管理器SM、频谱任务处理器STP和MAC层之间存在通信接口B1/C1，完成宏蜂窝簇首之间的频谱共享，以及微蜂窝簇首-簇节点间的频谱切换、频谱感知结果汇总这些功能；频谱感知检测模块SSF和物理层存在接口A1，物理层通过A1接口向频谱感知检测模块SSF报告射频信号是否为蜂群信号，频谱感知检测模块SSF通过A1接口向PHY发送信道切换命令；

节点初始频谱感知具体为：节点进行当前工作信道选择，初始化各个节点频谱任务处理器STP和频谱管理器SM，对当前环境下信道进行感知，根据频谱任务处理器STP频谱感知结果，如果存在可用信道，则选择工作信道，否则重新进行上行信道集、下行信道集、宏蜂窝信道集频谱感知，各节点已知下行工作信道后，更新本地信道集参数，开始组网，并执行网络确认程序。

进一步地，步骤6所述簇首节点下发上行和宏蜂窝信道信息，初始化静默期参数并下发，具体如下：

静默期间隔时间分别为20ms、50ms、100ms，SM根据主用户活动规律采用不同的静默期策略，节点按SM设定的感知策略进行感知；同步信道帧即SCH用于传送帧同步信号和基站识别码信息，SCH由SM在前一个超帧的第50ms至70ms间生成并发送出去，发送周期为100ms，SCH帧中备选信道集只有更新后有变化才发送；当信道空闲时，下一刻的超帧能够成功发送，下一个超帧静默期正常进行；当这20ms内信道被占用或SCH帧因为碰撞丢失时，簇节点没有收到SCH帧，则簇节点按照前一个超帧的静默期策略进行带内和带外感知；

当所有节点频谱感知结果为忙碌时，进入临时策略，调整感知间隔为10ms，仅当主用户活跃时生效，即当前感知结果为信道忙，在下一个10ms对信道再进行一次感知，直至超帧结束；簇首节点根据上行信道集和宏蜂窝信道集下发上行工作信道和宏蜂窝工作信道。

进一步地，步骤8中备选信道集的维护更新，具体如下：

簇首有两个接收通道分别进行宏蜂窝和微蜂窝信道集的感知，而簇节点至少有一个接收通道进行微蜂窝上下行信道集的感知；簇节点在有富余硬件接收通道的情况下，将上下行信道集分摊在两个接收通道处理；

在更新备选信道时，感知频率范围为100MHz，若感知带宽为5MHz，形成20个5MHz可用信道，每个信道驻留1ms，在1ms内采样1次，根据1次采样结果对主用户进行判断，更新备选信道集；微蜂窝分为上、下行信道，则微蜂窝感知时间为20*1ms*2＝40ms，每秒对微蜂窝备选信道集更新一次；宏蜂窝感知时间为20*1ms＝20ms，宏蜂窝的备选信道集更新周期也为每秒一次；

最终将更新完成的上行、下行、宏蜂窝信道集下发至各个子节点进行全网信道集更新，以进行信道切换。

进一步地，步骤8中每个簇子节点发送当前工作信道主用户类型即PUType至簇首节点，具体如下：

当PUType＝0时，该信道上主用户类型为未知，即没有检测出来主用户类型；当PUType＝1时，该信道上主用户类型为FM；当PUType＝2时，该信道上主用户类型为OFDM；当PUType＝3时，该信道上主用户类型为LFM。

进一步地，步骤8中簇首节点频谱管理器根据实时信道状态信息通过计算更新信道切换建议，实现信道切换功能，具体方法如下：

SM根据各个节点对不同信道感知的结果，采用大数统计原则，采纳占比最高的主用户类型最为最终用户类型；采纳占比最高的信道占用率最为最终信道占用率；采纳占比最高的信道RSSI作为最终的信道RSSI；最终得出当前簇内工作信道的用户类型、信道占用率以及信道的RSSI；

SM根据当前信道的主用户类型、RSSI、信道占用率计算信道切换建议值Suggestion，计算步骤如下：

设定工作信道的切换建议数值范围0-100，其中数值越大表示切换的建议越大，当切换建议超过50时，通知MAC更新信道切换建议；首先查询主用户类型，当主用户PU为FM信号时，信道切换建议直接为100；当主用户PU为LFM信号，信道切换建议为0；当主用户PU为OFDM信号时，查询信道RSSI，当RSSI＞-70dbm时，信道切换建议为100；反之，根据信道占用率求取信道切换建议值；

信道占用率计算方法为：将所有节点当前信道连续5次频谱感知检测为忙碌的概率求平均，再利用求平均的方法求取所有节点的平均值，得到最终的信道占用率即信道切换建议值。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

(1)本发明使用了基于多信道的协作频谱感知方法，将整体的待感知频带范围划分，根据各个节点特性分配任务，最终在簇首再实现信道集的整合，该信道集不仅仅实现了对整个待感知频带范围的所有频率进行感知，而且通过节点间的协作感知制度大大缩小了感知整个频带范围所需时间，每个节点在很短的时间内即可完成感知任务，在完成整频带范围感知的同时，留下更多时间用于通信，增加了系统整体的网络吞吐量；

(2)本发明使用了基于实时信道状态信息的信道切换方法，同时考虑了信道的忙闲状态、RSSI、信道占用率和信道的主用户类型，使用该方法避免了不必要的资源浪费，例如当主用户类型为雷达LFM信号时，根据雷达主用户规律，可长时间不进行信道感知，这样大大的增加了通信时间；同时当为FM信号时，由于FM信号的长时间存在规律，及时进行信道切换，避免了发生碰撞；当为OFDM信号时，则根据信道占用率进行信道切换的判定，占用率低时不用进行切换，仍可以进行通信，充分的利用了紧缺的频带资源。

附图说明

图1是系统模型图。

图2是频谱感知协议模型图。

图3是频谱感知模块整体结构图。

图4是频谱感知流程图。

图5是频谱管理器处理过程示意图。

图6是信道切换建议计算过程示意图。

图7是子节点分配频谱感知信道集示意图。

图8是簇首总和后备选信道集示意图。

图9是备选信道集示意图。

图10是簇节点信道切换状态示意图。

具体实施方式

本发明针对复杂电磁环境下频谱资源受限、传统通信方式频谱利用率较低，频谱资源不能满足通信保障需求，开展基于频谱感知与共享的动态协同接入和半实物原型系统演示验证等关键技术研究，研制无人机蜂群频谱感知原型系统，与无人机蜂群通信系统相结合，有效提升频谱利用效率。

无人机蜂群通信系统采用“宏蜂窝-微蜂窝”的两层体系，如图1所示。宏蜂窝由各个微蜂窝的簇首组成。微蜂窝是由簇首和簇子节点组成的、以簇首为中心的集中式网络。本项目为宏蜂窝/微蜂窝提供频谱管理服务，提升网络运行效率。

蜂群网络工作环境中，存在各种主用户。系统在感知的基础上获得最佳的工作信道，再在工作信道上在不影响主用户活动的条件下择机接入。

其中整体网络环境的的主用户建模模型如下：

本发明拟参照蜂窝通信OFDM、搜索雷达LFM和广播FM信号等三种典型信号进行主用户建模。在OPNET仿真平台中，针对这三种主用户信号特征(见表1～表3)，构建主用户节点模型，可在OPNET仿真平台中对无人机蜂群节点间通信产生影响。蜂群节点利用主用户的工作间隙(即时间维、频率维、空间维空穴)进行通信，提升频谱利用率；当主用户发射信号时，蜂群节点感知到信道占用并按感知策略进行信道避让，避免干扰主用户工作。模拟实际主用户工作场景，并在OPNET仿真环境下验证蜂群节点的机会接入能力。

为便于描述，基于上述主用户模型，对主用户的参数做出具体定义如下：

表1蜂窝通信OFDM信号特征

信号特征	参数1	参数2
			调制方式	OFDM	OFDM
标准	802.11a	802.11a
			带宽	20MHz	20MHz
持续时间(TON)	随机，期望值＝10ms	随机，期望值＝60ms
			空闲时间(TOFF)	随机，期望值＝40ms	随机，期望值＝40ms
信道占用率(η)	20％	60％

表2搜索雷达LFM信号特征

信号特征	参数
		调制方式	LFM
带宽	10MHz
		调制时间	0.01ms
重复周期	0.2ms
		扫描时间	2s

表3广播FM信号特征

信号特征	参数
		调制方式	FM
调制频偏	20MHz
		持续时间	8h

频谱感知为通信系统提供支撑，其包含的实体有：位于簇首的频谱管理器(SM)，频谱任务处理器(STP)和频谱感知检测模块(SSF)组成。感知层面和通信层面的系统协议模型如图2。

频谱管理器、频谱任务处理器和MAC层之间存在通信接口B1/C1(逻辑接口，B1/C1两者共用物理接口)，完成宏蜂窝簇首之间的频谱共享，以及微蜂窝簇首-簇节点间的频谱切换、频谱感知结果汇总等功能。频谱感知检测模块和物理层存在接口A1，PHY通过A1接口向频谱感知检测模块报告RF信号是否为蜂群信号，频谱感知检测模块通过A1接口向PHY发送信道切换命令。系统整体结构图如图3所示。

一方面，本发明设计了一种基于多通道的协作频谱感知方案。在蜂群系统中，二级网络，簇首根据最优原则，选择子节点所感知信道中RSSI最大的几个信道分发给此节点进行感知，其中信道数量参数可自行根据信道数量确定，簇首会将频带范围内所有信道分配给该簇内的各个节点；各个节点对分配信道进行频谱感知，形成信道集上传至簇首，簇首对信道集进行整合，形成最终的备选信道集。该信道集不仅仅实现了对整个待感知频带范围的所有频率进行感知，而且通过节点间的协作感知制度大大缩小了感知整个频带范围所需时间，每个节点在很短的时间内即可完成感知任务，在完成整频带范围感知的同时，留下更多时间用于通信，增加了系统整体的网络吞吐量。

另一方面，本发明设计了一种基于实时信道状态信息的信道切换方案。各个子节点对当前工作信道进行频谱感知，并将感知结果包括：信道忙闲状态、信道主用户类型、信道RSSI、信道占用率，根据相应算法计算信道切换建议，若信道切换建议值大于阈值，则上传信道切换建议，MAC层根据信道切换建议和最新备选信道集进行信道的切换。

本发明基于实时信道状态估计的协作频谱感知接入方法，具体实现步骤如图4所示：

步骤1：节点初始化。

整个网络所有节点进行初始化工作，读取本地的信道配置参数，并准备进行初始建网工作。

步骤2：节点初始频谱感知：所有节点根据初始参数在选定频段上进行初始频谱感知，确定下行信道。

节点进行当前工作信道选择，初始化各个节点频谱任务处理器(STP)和频谱管理器(SM)，对当前环境下信道进行感知，根据STP频谱感知结果，如果存在可用信道，则选择工作信道，否则重新进行上行信道集、下行信道集、宏蜂窝信道集频谱感知，各节点已知下行工作信道后，更新本地信道集参数，开始组网，并执行网络确认程序。

步骤3：簇首条件判断。

根据簇首选择算法进行簇首选举，确定簇首和簇子节点，并由簇首根据上行信道集和宏蜂窝信道集下发上行工作信道和宏蜂窝工作信道。

步骤4：若节点确定为簇首节点，则实例化频谱管理器，即启动该节点的频谱管理器模块，设定初始化备选信道集、感知频率范围、工作带宽；

步骤5：同时，若节点确定为簇子节点，进入子节点模式，簇子节点发送入网申请，完成组网工作。

步骤6：簇首节点下发及簇子节点收取上行、宏蜂窝信道：组网完成后，簇首节点下发上行和宏蜂窝信道信息，初始化静默期参数并下发；簇子节点则收取簇首节点下发的上行和宏蜂窝信道信息，并收取静默期参数，从而确定自身上行、宏蜂窝信道信息。步骤7：带内频谱感知：包括簇首节点、簇子节点的所有节点，根据簇首节点下发的静默期参数中的帧结构设计，确定一个超帧内感知时间和通信时间的分配，在每个超帧内的感知时间内首先对当前工作信道进行带内频谱感知，此时会出现以下两种情况：

(1)能量检测结果Z_i(t)＝0，即当前工作信道空闲。

(2)能量检测结果Z_i(t)＝1，即当前工作信道忙碌。

步骤8、频谱管理器维护备选信道集并更新信道切换建议：

(1)簇首节点分配具体感知信道个数任务给包含该簇首节点自身在内的簇内所有节点；所有节点在带内感知结束后，根据簇首节点分配任务进行带外感知，形成备选信道集，在簇首节点进行备选信道集汇总分析，最终实现协作频谱感知；

①一个簇内，所有节点在带内感知结束后，簇根据簇首节点分配任务进行信道的空闲状态带外感知，形成备选信道集，并将备选信道集上传至簇首节点，实现备选信道集的维护更新；

②每个簇子节点发送当前工作信道主用户类型即PUType至簇首节点；

③每个簇子节点上传当前工作信道的信道占用率与信号接收强度即RSSI至簇首节点；

(2)簇首节点频谱管理器接收各簇子节点上传的频谱感知信息，包括当前工作信道忙闲状态、主用户类型、信道占用率、信号接收强度，实现簇内协作感知，即采用大数原则进行综合判决，最终决定整个簇所使用工作信道的忙闲状态、主用户类型、信道占用率、信号接收强度；

(3)簇首节点频谱管理器根据实时信道状态信息通过计算更新信道切换建议，实现信道切换功能；

步骤9、判断信道切换建议是否大于阈值：当信道切换建议大于阈值时，上传建议至MAC层，MAC层根据信道切换建议和备选信道集选择切换信道，并由簇首节点下发切换信道信息；

当信道切换建议小于阈值时，不进行信道切换建议上传，跳回至步骤8，即正常通信的同时进行备选信道集的维护和信道切换建议的更新；

步骤10、MAC层根据信道切换建议和备选信道集进行信道切换决策：MAC层接收来自频谱管理器的信道切换建议，并选取备选信道集排序第一位的信道进行切换；

步骤11、簇首节点执行MAC层指令，并下发信道切换指令给簇内成员；

步骤12、簇子节点接收来自簇首节点的信道切换信息，执行信道切换，若下行信道不可用，无法接受簇首节点下发信息，则簇子节点触发自切换功能，连续三个超帧接收不到簇首节点消息，则切换至已保存备选信道集排序第一的信道，完成与簇首节点进行同频切换；

步骤13、整个簇信道切换成功。

作为一种具体实施方式，步骤2所述初始频谱感知，具体如下：

频谱感知包含的实体有：位于簇首的频谱管理器SM，频谱任务处理器STP和频谱感知检测模块SSF，频谱管理器SM、频谱任务处理器STP和MAC层之间存在通信接口B1/C1，完成宏蜂窝簇首之间的频谱共享，以及微蜂窝簇首-簇节点间的频谱切换、频谱感知结果汇总这些功能；频谱感知检测模块SSF和物理层存在接口A1，物理层通过A1接口向频谱感知检测模块SSF报告射频信号是否为蜂群信号，频谱感知检测模块SSF通过A1接口向PHY发送信道切换命令；

节点初始频谱感知具体为：节点进行当前工作信道选择，初始化各个节点频谱任务处理器STP和频谱管理器SM，对当前环境下信道进行感知，根据频谱任务处理器STP频谱感知结果，如果存在可用信道，则选择工作信道，否则重新进行上行信道集、下行信道集、宏蜂窝信道集频谱感知，各节点已知下行工作信道后，更新本地信道集参数，开始组网，并执行网络确认程序。

作为一种具体实施方式，步骤6所述簇首节点下发上行和宏蜂窝信道信息，初始化静默期参数并下发，具体如下：

静默期间隔时间分别为20ms、50ms、100ms，SM根据主用户活动规律采用不同的静默期策略，节点按SM设定的感知策略进行感知；同步信道帧即SCH用于传送帧同步信号和基站识别码信息，SCH由SM在前一个超帧的第50ms至70ms间生成并发送出去，发送周期为100ms，SCH帧中备选信道集只有更新后有变化才发送；当信道空闲时，下一刻的超帧能够成功发送，下一个超帧静默期正常进行；当这20ms内信道被占用或SCH帧因为碰撞丢失时，簇节点没有收到SCH帧，则簇节点按照前一个超帧的静默期策略进行带内和带外感知；

当所有节点频谱感知结果为忙碌时，进入临时策略，调整感知间隔为10ms，仅当主用户活跃时生效，即当前感知结果为信道忙，在下一个10ms对信道再进行一次感知，直至超帧结束；簇首节点根据上行信道集和宏蜂窝信道集下发上行工作信道和宏蜂窝工作信道。

作为一种具体实施方式，步骤8中备选信道集的维护更新，具体如下：

簇首有两个接收通道分别进行宏蜂窝和微蜂窝信道集的感知，而簇节点至少有一个接收通道进行微蜂窝上下行信道集的感知；簇节点在有富余硬件接收通道的情况下，将上下行信道集分摊在两个接收通道处理；

在更新备选信道时，感知频率范围为100MHz，若感知带宽为5MHz，形成20个5MHz可用信道，每个信道驻留1ms，在1ms内采样1次，根据1次采样结果对主用户进行判断，更新备选信道集；微蜂窝分为上、下行信道，则微蜂窝感知时间为20*1ms*2＝40ms，每秒对微蜂窝备选信道集更新一次；宏蜂窝感知时间为20*1ms＝20ms，宏蜂窝的备选信道集更新周期也为每秒一次；

最终将更新完成的上行、下行、宏蜂窝信道集下发至各个子节点进行全网信道集更新，以进行信道切换。

作为一种具体实施方式，步骤8中每个簇子节点发送当前工作信道主用户类型即PUType至簇首节点，具体如下：

当PUType＝0时，该信道上主用户类型为未知，即没有检测出来主用户类型；当PUType＝1时，该信道上主用户类型为FM；当PUType＝2时，该信道上主用户类型为OFDM；当PUType＝3时，该信道上主用户类型为LFM。

作为一种具体实施方式，步骤8中簇首节点频谱管理器根据实时信道状态信息通过计算更新信道切换建议，实现信道切换功能，具体方法如下：

SM根据各个节点对不同信道感知的结果，采用大数统计原则，采纳占比最高的主用户类型最为最终用户类型；采纳占比最高的信道占用率最为最终信道占用率；采纳占比最高的信道RSSI作为最终的信道RSSI；最终得出当前簇内工作信道的用户类型、信道占用率以及信道的RSSI；

SM根据当前信道的主用户类型、RSSI、信道占用率计算信道切换建议值Suggestion，计算步骤如下：

设定工作信道的切换建议数值范围0-100，其中数值越大表示切换的建议越大，当切换建议超过50时，通知MAC更新信道切换建议；首先查询主用户类型，当主用户PU为FM信号时，信道切换建议直接为100；当主用户PU为LFM信号，信道切换建议为0；当主用户PU为OFDM信号时，查询信道RSSI，当RSSI＞-70dbm时，信道切换建议为100；反之，根据信道占用率求取信道切换建议值；

信道占用率计算方法为：将所有节点当前信道连续5次频谱感知检测为忙碌的概率求平均，再利用求平均的方法求取所有节点的平均值，得到最终的信道占用率即信道切换建议值。

频谱管理器根据各个节点对不同信道感知的结果，经过图5所示的处理过程计算当前工作信道的用户类型、信道占用率以及信道的RSSI。根据SM判断的主用户类型、信道占用概率、信道的RSSI值按如图6所示方式计算信道切换建议Suggestion；在仿真中对计算的信道切换建议按照从小到大进行冒泡排序，如有新的节点接入，重新执行排序。

相对于现有的技术，本发明使用了基于多信道的协作频谱感知方法，将整体的待感知频带范围划分，根据各个节点特性分配任务，最终在簇首再实现信道集的整合，该信道集不仅仅实现了对整个待感知频带范围的所有频率进行感知，而且通过节点间的协作感知制度大大缩小了感知整个频带范围所需时间，每个节点在很短的时间内即可完成感知任务，在完成整频带范围感知的同时，留下更多时间用于通信，增加了系统整体的网络吞吐量。

同时，本发明使用了基于实时信道状态信息的信道切换方法，同时考虑了信道的忙闲状态、RSSI、信道占用率和信道的主用户类型，使用该方法避免了不必要的资源浪费，例如当主用户类型为雷达LFM信号时，根据雷达主用户规律，可长时间不进行信道感知，这样大大的增加了通信时间；同时当为FM信号时，由于FM信号的长时间存在规律，及时进行信道切换，避免了发生碰撞；当为OFDM信号时，则根据信道占用率进行信道切换的判定，占用率低时不用进行切换，仍可以进行通信，充分的的利用了紧缺的频带资源。

实施例

本发明经过OPNET软件仿真测试，通过计算机模拟验证本发明所提方法的有效性。

以上行信道为例，本实验设定整个系统上行感知信道范围为2.2G-2.3G，其中1到10节点为一个簇，11到20节点为一个簇。

首先在协作频谱感知方面，由于OPNET软件的本身特性，通过打印观测到簇首分配给每个节点的频谱感知任务，即簇子节点本身所感知的信道集，再观察簇首综合后的备选信道集，可证明此发明可行，其结果图如图7和图8所示。

从图8可以看出子节点只负责感知了整个上行感知频率范围的两个频段，最终由簇首进行信道集的总和，并按照一定的顺序选择了5个信道作为整个簇的备选信道集，下发给整个簇，以便进行信道切换。

另一方面，在基于实时信道状态信息的信道切换方法方面，我们通过观察主用户出现时，整个簇从当前信道切换至排序第一的备选信道集所在信道，证明此发明可行。备选信道集如下图9所示，信道切换状态信息如下图10所示：

打印出该簇其中一个簇子节点的工作频率用来观察，由图10可以看出在主用户于4.3s出现在上行频率时，该节点执行信道切换从原有上行工作频率2.22G切换至2.23G，即选择了备选信道集的排序第一的信道进行了切换。

综上所述，本发明提供了无线分布式协同网络环境中一种多层蜂群系统场景下基于实时信道状态估计的协作频谱感知与接入方法。当无线网络环境中蜂群节点当前工作信道的主用户返回，亦或当前信道指标降低以及节点移动导致脱离信道可用范围不能满足节点正常通信的需要时，节点需要进行信道切换，常规的信道切换技术会导致通信的不稳定和不确定性，还会造成一定的切换时延，更有可能影响网络结构造成通信中断。使用本发明所提方法，次用户使用主用户返回之前感知阶段搜集的实时信道状态信息，包括信道忙闲状态、主用户类型、信道占用率、RSSI，计算信道切换建议进行信道切换，有效的提高了切换的实时性和所选信道的质量，保障了通信业务的持续进行。

Claims (6)

1.一种基于实时信道状态估计的协作频谱感知接入方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1、节点初始化：整个网络所有节点进行初始化，读取本地的信道配置参数，并准备进行初始建网工作；

步骤2、初始频谱感知：所有节点根据初始参数在选定频段上进行初始频谱感知，确定下行信道；

步骤3、簇首条件判断：根据网络层簇首选举算法进行簇首选举，确定无人机节点为簇首节点或簇子节点；

步骤4、若节点确定为簇首节点，则实例化频谱管理器，即启动该节点的频谱管理器模块，设定初始化备选信道集、感知频率范围、工作带宽；

步骤5、若节点确定为簇子节点，进入子节点模式，簇子节点发送入网申请，完成组网工作；

步骤6、簇首节点下发及簇子节点收取上行、宏蜂窝信道：组网完成后，簇首节点下发上行和宏蜂窝信道信息，初始化静默期参数并下发；簇子节点则收取簇首节点下发的上行和宏蜂窝信道信息，并收取静默期参数，从而确定自身上行、宏蜂窝信道信息；

步骤7、带内频谱感知：包括簇首节点、簇子节点的所有节点，根据簇首节点下发的静默期参数中的帧结构设计，确定一个超帧内感知时间和通信时间的分配，在每个超帧内的感知时间内首先对当前工作信道进行带内频谱感知，此时会出现以下两种情况：

(1)能量检测结果Z_i(t)＝0，即当前工作信道空闲；

(2)能量检测结果Z_i(t)＝1，即当前工作信道忙碌；

步骤8、频谱管理器维护备选信道集并更新信道切换建议：

(1)簇首节点分配具体感知信道个数任务给包含该簇首节点自身在内的簇内所有节点；所有节点在带内感知结束后，根据簇首节点分配任务进行带外感知，形成备选信道集，在簇首节点进行备选信道集汇总分析，最终实现协作频谱感知；

①一个簇内，所有节点在带内感知结束后，簇根据簇首节点分配任务进行信道的空闲状态带外感知，形成备选信道集，并将备选信道集上传至簇首节点，实现备选信道集的维护更新；

②每个簇子节点发送当前工作信道主用户类型即PUType至簇首节点；

③每个簇子节点上传当前工作信道的信道占用率与信号接收强度即RSSI至簇首节点；

(2)簇首节点频谱管理器接收各簇子节点上传的频谱感知信息，包括当前工作信道忙闲状态、主用户类型、信道占用率、信号接收强度，实现簇内协作感知，即采用大数原则进行综合判决，最终决定整个簇所使用工作信道的忙闲状态、主用户类型、信道占用率、信号接收强度；

(3)簇首节点频谱管理器根据实时信道状态信息通过计算更新信道切换建议，实现信道切换功能；

步骤9、判断信道切换建议是否大于阈值：当信道切换建议大于阈值时，上传建议至MAC层，MAC层根据信道切换建议和备选信道集选择切换信道，并由簇首节点下发切换信道信息；

当信道切换建议小于阈值时，不进行信道切换建议上传，跳回至步骤8，即正常通信的同时进行备选信道集的维护和信道切换建议的更新；

步骤10、MAC层根据信道切换建议和备选信道集进行信道切换决策：MAC层接收来自频谱管理器的信道切换建议，并选取备选信道集排序第一位的信道进行切换；

步骤11、簇首节点执行MAC层指令，并下发信道切换指令给簇内成员；

步骤12、簇子节点接收来自簇首节点的信道切换信息，执行信道切换，若下行信道不可用，无法接受簇首节点下发信息，则簇子节点触发自切换功能，连续三个超帧接收不到簇首节点消息，则切换至已保存备选信道集排序第一的信道，完成与簇首节点进行同频切换；

步骤13、整个簇信道切换成功。

2.根据权利要求1所述的基于实时信道状态估计的协作频谱感知接入方法，其特征在于，步骤2所述初始频谱感知，具体如下：

频谱感知包含的实体有：位于簇首的频谱管理器SM，频谱任务处理器STP和频谱感知检测模块SSF，频谱管理器SM、频谱任务处理器STP和MAC层之间存在通信接口B1/C1，完成宏蜂窝簇首之间的频谱共享，以及微蜂窝簇首-簇节点间的频谱切换、频谱感知结果汇总这些功能；频谱感知检测模块SSF和物理层存在接口A1，物理层通过A1接口向频谱感知检测模块SSF报告射频信号是否为蜂群信号，频谱感知检测模块SSF通过A1接口向PHY发送信道切换命令；

节点初始频谱感知具体为：节点进行当前工作信道选择，初始化各个节点频谱任务处理器STP和频谱管理器SM，对当前环境下信道进行感知，根据频谱任务处理器STP频谱感知结果，如果存在可用信道，则选择工作信道，否则重新进行上行信道集、下行信道集、宏蜂窝信道集频谱感知，各节点已知下行工作信道后，更新本地信道集参数，开始组网，并执行网络确认程序。

3.根据权利要求2所述的基于实时信道状态估计的协作频谱感知接入方法，其特征在于，步骤6所述簇首节点下发上行和宏蜂窝信道信息，初始化静默期参数并下发，具体如下：

静默期间隔时间分别为20ms、50ms、100ms，SM根据主用户活动规律采用不同的静默期策略，节点按SM设定的感知策略进行感知；同步信道帧即SCH用于传送帧同步信号和基站识别码信息，SCH由SM在前一个超帧的第50ms至70ms间生成并发送出去，发送周期为100ms，SCH帧中备选信道集只有更新后有变化才发送；当信道空闲时，下一刻的超帧能够成功发送，下一个超帧静默期正常进行；当这20ms内信道被占用或SCH帧因为碰撞丢失时，簇节点没有收到SCH帧，则簇节点按照前一个超帧的静默期策略进行带内和带外感知；

当所有节点频谱感知结果为忙碌时，进入临时策略，调整感知间隔为10ms，仅当主用户活跃时生效，即当前感知结果为信道忙，在下一个10ms对信道再进行一次感知，直至超帧结束；簇首节点根据上行信道集和宏蜂窝信道集下发上行工作信道和宏蜂窝工作信道。

4.根据权利要求2或3所述的基于实时信道状态估计的协作频谱感知接入方法，其特征在于，步骤8中备选信道集的维护更新，具体如下：

簇首有两个接收通道分别进行宏蜂窝和微蜂窝信道集的感知，而簇节点至少有一个接收通道进行微蜂窝上下行信道集的感知；簇节点在有富余硬件接收通道的情况下，将上下行信道集分摊在两个接收通道处理；

在更新备选信道时，感知频率范围为100MHz，若感知带宽为5MHz，形成20个5MHz可用信道，每个信道驻留1ms，在1ms内采样1次，根据1次采样结果对主用户进行判断，更新备选信道集；微蜂窝分为上、下行信道，则微蜂窝感知时间为20*1ms*2＝40ms，每秒对微蜂窝备选信道集更新一次；宏蜂窝感知时间为20*1ms＝20ms，宏蜂窝的备选信道集更新周期也为每秒一次；

最终将更新完成的上行、下行、宏蜂窝信道集下发至各个子节点进行全网信道集更新，以进行信道切换。

5.根据权利要求4所述的基于实时信道状态估计的协作频谱感知接入方法，其特征在于，步骤8中每个簇子节点发送当前工作信道主用户类型即PUType至簇首节点，具体如下：

当PUType＝0时，该信道上主用户类型为未知，即没有检测出来主用户类型；当PUType＝1时，该信道上主用户类型为FM；当PUType＝2时，该信道上主用户类型为OFDM；当PUType＝3时，该信道上主用户类型为LFM。

6.根据权利要求5所述的基于实时信道状态估计的协作频谱感知接入方法，其特征在于，步骤8中簇首节点频谱管理器根据实时信道状态信息通过计算更新信道切换建议，实现信道切换功能，具体方法如下：

SM根据各个节点对不同信道感知的结果，采用大数统计原则，采纳占比最高的主用户类型最为最终用户类型；采纳占比最高的信道占用率最为最终信道占用率；采纳占比最高的信道RSSI作为最终的信道RSSI；最终得出当前簇内工作信道的用户类型、信道占用率以及信道的RSSI；

SM根据当前信道的主用户类型、RSSI、信道占用率计算信道切换建议值Suggestion，计算步骤如下：

设定工作信道的切换建议数值范围0-100，其中数值越大表示切换的建议越大，当切换建议超过50时，通知MAC更新信道切换建议；首先查询主用户类型，当主用户PU为FM信号时，信道切换建议直接为100；当主用户PU为LFM信号，信道切换建议为0；当主用户PU为OFDM信号时，查询信道RSSI，当RSSI＞-70dbm时，信道切换建议为100；反之，根据信道占用率求取信道切换建议值；

信道占用率计算方法为：将所有节点当前信道连续5次频谱感知检测为忙碌的概率求平均，再利用求平均的方法求取所有节点的平均值，得到最终的信道占用率即信道切换建议值。